生产者消费者问题模拟实现zWord格式文档下载.docx
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为了通过信号量传送信号,进程可利用P和V两个特殊操作来发送和接收信号,如果协作进程的相应信号仍未到达,则进程被挂起直至信号到达为止。
在操作系统中用信号量表示物理资源的实体,它是一个与队列有关的整型变量。
具体实现时,信号量是一种变量类型,用一个记录型数据结构表示,有两个分量:
一个是信号量的值,另一个是信号量队列的指针。
信号量在操作系统中主要用于封锁临界区、进程同步及维护资源计数。
除了赋初值之外,信号量仅能由同步原语PV对其操作,不存在其他方法可以检查或操作信号量,PV操作的不可分割性确保执行的原子性及信号量值的完整性。
利用信号量和PV操作即可解决并发进程竞争问题,又可解决并发进程协作问题。
信号量按其用途可分为两种:
公用信号量,联系一组并发进程,相关进程均可在此信号量上执行PV操作,用于实现进程互斥;
私有信号量,联系一组并发进程,仅允许此信号量所拥有的进程执行P操作,而其他相关进程可在其上执行V操作,初值往往为0或正整数,多用于并发进程同步。
信号量的定义为如下数据结构:
typedefstructsemaphore
{
intvalue;
//信号量的值
structpcb*list;
//信号量队列的指针
}
信号量说明:
semaphores;
P、V操作原语描述如下:
(1)P(s):
s.value--;
若s.value≥0,则执行P(s)的进程继续执行;
若s.value<
0,则执行P(s)的进程被阻塞,并把它插入到等待信号量s的阻塞队列中。
(2)V(s):
s.value++;
若s.value≤0,则执行V(s)的进程从等待信号量s的阻塞队列中唤醒头一个进程,然后自己继续执行。
若s.value>
0,则执行V(s)的进程继续执行;
1.2.3信号量实现互斥
信号量和PV操作可用来解决进程互斥问题。
为使多个进程能互斥地访问某临界资源,只需为该资源设置一互斥信号量mutex,并置初值为1,然后将各进程访问该资源的临界区置于P(mutex)和V(mutex)操作之间即可。
用信号量和PV操作管理并发进程互斥进入临界区的一般形式为:
semaphoremutex;
mutex=1;
cobegin
processPi()/*i=1,2,…,n*/
{
P(mutex);
/*临界区*/
V(mutex);
}
coend
当有进程在临界区中时,mutex的值为0或负值,否则mutex值为1,因为只有一个进程,可用P操作把mutex减至0,故可保证互斥操作,这时试图进入临界区的其它进程会因执行P(mutex)而被迫等待。
mutex的取值范围是1~-(n-1),表明有一个进程在临界区内执行,最多有n-1个进程在信号量队列中等待。
1.2.4信号量解决生产者—消费者问题
信号量和PV操作不仅可以解决进程互斥问题,而且是实现进程同步的有力工具。
在协作进程之间,一个进程的执行依赖于协作进程的信息或消息,在尚未得到来自协作进程的信号或消息时等待,直至信号或消息到达时才被唤醒。
生产者—消费者问题是典型的进程同步问题,对于生产者进程:
生产一个产品,当要送入缓冲区时,要检查是否有空缓冲区,若有,则可将产品送入缓冲区,并通知消费者进程;
否则,等待;
对于消费者进程:
当它去取产品时,要看缓冲区中是否有产品可取,若有则取走一个产品,并通知生产者进程,否则,等待。
这种相互等待,并互通信息就是典型的进程同步。
因此应该设两个同步信号量:
信号量empty表示可用的空缓冲区的数目,初值为k;
信号量full表示可以使用产品的数目,初值为0。
缓冲区是一个临界资源,必须互斥使用,所以另外还需要设置一个互斥信号量mutex,其初值为1。
用信号量机制解决生产者—消费者问题可描述如下:
itemB[k];
semaphoreempty;
empty=k;
//可以使用的空缓冲区数
semaphorefull;
full=0;
//缓冲区内可以使用的产品数
mutex=1;
//互斥信号量
intin=0;
//放入缓冲区指针
intout=0;
//取出缓冲区指针
processproducer_i()processconsumer()
{{
While(true)While(true){{
produce();
P(full);
P(empty);
P(mutex);
P(mutex);
takefromB[out];
appendtoB[in];
out=(out+1)%k;
in=(in+1)%k;
V(mutex);
V(mutex);
V(empty);
V(full);
consume();
}}
}}
Coend
程序中的P(mutex)和V(mutex)必须成对出现,夹在两者之间的代码段是临界区;
施加于信号量empty和full上的PV操作也必须成对出现,但分别位于不同的程序中。
在生产者消费者问题中,P操作的次序是很重要的,如果把生产者进程中的两个P操作交换次序,那么,当缓冲区中存满k件产品时,生产者又生产一件产品,在它欲向缓冲区存放时,将在P(empty)上等待,由于此时mutex=0,它已经占有缓冲区,这时消费者预取产品时将停留在P(mutex)上而得不到使用缓冲区的权力。
这就导致生产者等待消费者取走产品,而消费者却在等待生产者释放缓冲区的占有权,这种互相之间的等待永远不可能结束。
所以,在使用信号量和PV操作实现进程同步时,特别要当心P操作的次序,而V操作的次序无关紧要。
一般来说,用于互斥的信号量上的P操作总是在后面执行。
1.3生产者消费者问题模拟实现
1.3.1实验内容
考虑一个系统中有n个进程,其中部分进程为生产者进程,部分进程为消费者进程,共享具有k个单位的缓冲区。
现要求用高级语言编写一个程序,模拟多个生产者进程和多个消费者进程并发执行的过程,并采用信号量机制与P、V操作实现生产者进程和消费者进程间同步以及对缓冲区的互斥访问。
利用信号量机制解决此问题的算法见3.2.4所示。
1.3.2实验指导
1.设计提示
(1)本实验并不需要真正创建生产者和消费者进程,每个进程用一个进程控制块(PCB)表示。
PCB数据结构如下:
typedefstructProcess//进程PCB
{
charname[10];
//进程名
introleFlag;
//进程类型(1:
生产者0:
消费者)
intcurrentState;
//进程状态(1:
可运行态0:
阻塞态)
intcurrentStep;
//断点
intdata;
//临时数据
intcode;
//进程编号
}Process;
(2)程序中应指定缓冲区的数目,进程总个数等,现考虑共有4个生产者和消费者进程,缓冲区数目是两个,定义如下所示:
#definedataBufferSize2//缓冲区数目
#defineprocessNum4//进程数量(生产者、消费者进程总数目)
structDataBuffer//缓冲区
{
intbuffer[dataBufferSize];
intcount;
//当前产品数量
}dataBuffer;
(3)为解决生产者-消费者问题需设两个同步信号量:
信号量empty表示可用的空缓冲区的数目,初值为缓冲区数目;
信号量定义和说明如下所示:
typedefstructSeamphore//信号量
{
intvalue;
int*pcq;
//信号量队列指针
}Seamphore;
intproducerCongestionQueue[processNum];
//等待信号量empty的阻塞队列
intconsumerCongestionQueue[processNum];
//等待信号量full的阻塞队列
intshareCongestionQueue[processNum];
//等待信号量mutex的阻塞队列
Seamphoreempty={dataBufferSize,producerCongestionQueue};
Seamphorefull={0,consumerCongestionQueue};
Seamphoremutex={1,shareCongestionQueue};
(4)为模拟多个生产者和多个消费者进程并发执行的过程,首先根据进程总个数产生若干生产者和若干消费者进程,然后随机调度一个处于就绪态的进程,判断是生产者还是消费者,然后执行不同的代码,为模拟并发执行,进程每执行一步操作就中断执行,再调度其他进程运行,在被中断进程的PCB中记录了中断的位置,等到下次被调度执行时则从此位置继续执行。
(5)生产者进程执行时分为6步,如下所示:
voidproduce(Process*p)//生产者进程执行代码
switch(p->
currentStep){
case1:
//1生产产品
p->
data=rand()%1000;
printf("
%20s:
生产一个产品%d!
\n"
p->
name,p->
data);
currentStep++;
break;
case2:
//2申请空缓冲区
P(&
empty,p);
case3:
//3申请访问缓冲区
mutex,p);
case4:
//4将产品送入缓冲区
push(p->
将产品%d正送入缓冲区!
case5:
//5释放缓冲区访问权
V(&
case6:
//6产品已送入缓冲区,产品数量加1
full,p);
currentStep=1;
}
(6)消费者进程执行时也分为6步,如下所示:
voidconsume(Process*p)//消费者进程执行代码
//1申请从缓冲区取出产品
//2申请访问缓冲区
//3从缓冲区中取出产品
data=pop();
从缓冲区中正取出产品%d!
//4释放缓冲区访问权
//5已从缓冲区取出一个产品,空缓冲区数量加1
//6消费产品
消费产品%d!
(6)为对生产者进程和消费者进程并发执行的过程进行分析,理解信号量和P、V操作在进程同步和互斥机制中的运用,要求进程每执行一步都输出每一步的执行情况。
2.程序流程图
(1)程序流程图如图3.2所示:
图3.2程序流程图
(2)生产者进程和消费者进程执行时各有6步操作,执行一个操作后会被中断,下次再被调度执行时接着执行下一操作。
生产者进程流程图如图3.3所示,消费者进程流程图如图3.4所示。
图2.2生产者进程流程图图2.3消费者进程流程图
1.3.3程序示例
#include"
stdio.h"
time.h"
stdlib.h"
string.h"
windows.h"
#defineprocessNum4//进程数量(生产者、消费者进程总数目)
int*pcq;
//empty:
空缓冲区数目
//full:
缓冲区内可用的产品
//mutex:
互斥信号量
typedefstructProcess//进程PCB
//进程名
//进程类型(1:
生产者0:
就绪态0:
Processprocess[processNum];
//进程集合
voidmoveDataForward()
inti;
for(i=0;
i<
dataBuffer.count;
i++)
dataBuffer.buffer[i]=dataBuffer.buffer[i+1];
voidpush(intdata)//产品送入缓冲区
dataBuffer.buffer[dataBuffer.count++]=data;
intpop()//从缓冲区取出产品
{
intdata=dataBuffer.buffer[0];
dataBuffer.count--;
moveDataForward();
returndata;
voidinitProcess(){//初始化进程集合
chardigitTemp[5];
srand(time(NULL));
processNum;
i++){
process[i].roleFlag=rand()%2;
//随机指定当前进程为生产者或消费者
if(process[i].roleFlag)
strcpy(process[i].name,"
生产者"
);
else
消费者"
strcat(process[i].name,itoa(i+1,digitTemp,10));
process[i].currentState=1;
process[i].currentStep=1;
process[i].code=i+1;
producerCongestionQueue[i]=0;
consumerCongestionQueue[i]=0;
shareCongestionQueue[i]=0;
voidwakeup(int*pcq){//唤醒进程
intcode=pcq[0]-1;
//取出队首进程
process[code].currentState=1;
//进程置为就绪态
//当进程被唤醒后继续执行任务
if(process[code].roleFlag==1){//生产者
if(process[code].currentStep==2){
printf("
该进程被唤醒!
申请空缓冲区成功!
process[code].name);
}elseif(process[code].currentStep==3){
申请访问缓冲区成功!
}
}elseif(process[code].roleFlag==0){//消费者
if(process[code].currentStep==1){
process[code].data=pop();
申请取产品%d成功!
process[code].name,process[code].data);
}elseif(process[code].currentStep==2){
}
process[code].currentStep++;
for(inti=1;
(i<
processNum)&
&
(pcq[i]!
=0);
i++){//删除队首进程
pcq[i-1]=pcq[i];
if(pcq[i-1]>
processNum){
pcq[i-1]=0;
pcq[i-1]=0;
voidsleep(intpcq[],intcode){//阻塞进程
process[code-1].currentState=0;
//进程置为阻塞态
if(!
pcq[i]){
pcq[i]=code;
voidP(Seamphore*s,Process*p){//模拟P操作
s->
value-=1;
if(s->
value>
=0){
if(p->
roleFlag==1){//生产者
if(p->
currentStep==2){
申请空缓冲区成功!
name);
}elseif(p->
currentStep
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